Neuartige Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke zur Anwendung in der Optoelektronik und für die Grundlagemnforschung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405782347

Der Physiknobelpreis 2014 “für die Erfindung effizienter blauer Leuchtfioden (LEDs), welche helle und energiesparende Weißlichtquellen ermöglichen“ erneuerte das Interesse für Materialien mit großer Bandlücke, nicht nur auf akademischer, sondern auch auf kommerzieller Ebene. Mit in den 1970er Jahren durch Jacques Isaac Pankove entwickelten Wachstumstechniken und ersten LEDs, Bauelemente auf der Basis des Verbinsungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) fristeten ein Schattenleben verglichen mit ihren Galliumarsenid(GaAs)-basierten Gegenspielern. GaN als Vertreter von Halbleitern mit großer Bandlücke repräsentiert eine neuartige Klasse von kommerziellen Bauelementen mit kurzer Emissionwellenlänge und hoher Durchbruchspannung und erlaubt aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften verglichen mit GaAs und Silizium (Si) ebenfalls das Betreten eines bisher unerkundeten Regimes in der makroskopischen Physik. Als Folge verstärkter Elektron-Elektron-Wechselwirkung in Systemen mit großer Bandlücke wird die Abweichung vom Ein-Elektronen-Bild hin zu Quasiteilchen erwartet. Leider hat das Wachstum derartiger Systeme die Reife von GaAs oder Si nicht erreicht. Während die Synthesetechniken für GaN nahezu identisch zu GaAs sind, wird die Herstellung z.B. hochbeweglicher 2-dimensionaler Elektronengase (2DEGs) durch die Qualität und Verfügbarkeit des Substartmaterials behindert. Unsere kosten- und arbeitsintensive Initiative, ultra-reine GaN/AlGaN-Heterostrukturen auf verfügbaren, hochwertigen Substraten zu wachsen zielt ultimativ auf das Erzielen von höchsten Elektronbeweglichkeiten, die Demonstration neuartiger elektronischer und opto-elektronischer Bauelementkonzepte und die Erforschung bisher unzugänglicher Bereiche in der Mesoskopik ab. Unsere Ideen beinhalten vergleichende Studien an GaN/AlGaN-, ZnO/MgZnO- und GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen mit vergleichbaren Parametern unter identischen experimentellen Bedingungen. So planen wir etwa Untersuchungen von Elektronenplasmaeigenschaften in diesen Systemen, um schnelle Mikrowellendetektoren und –modulatoren zu entwickeln. Prototypen superschneller Bauelemente mit 100-200GHz Ladungsträgerfrequenz für die Drahtloskommunikation bei 50GBit/s wären eine direkte Konsequenz. Darüber hinaus werden Untersuchungen von Korrelations- sowie Fermiflüssigkeitseffekten in diesen neuartigen 2D-Systemen mit starker Wechselwirkung und großer effektiver Masse einen neuen Einblick in die Vielteilchenphysik ermöglichen, speziell auf den fraktionellen Quanten-Hall-Effekt. Die Erkenntnisse während der Projektlaufzeit könnten eine Basis für die Entwicklung einer neuen Klasse von Miniaturbauelementen für die klassische und Quantenelektronik darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Mitverantwortlich: Dr. Stefan Schmult
• Kooperationspartner: Dr. Alexandr Vankov